Desarrollan nuevo material ultrarresistente inspirado en la naturaleza

La naturaleza ha sido una fuente continua de ideas para la innovación. Uno de los ejemplos más notables es el desarrollo de un nuevo material ultrarresistente inspirado en las telarañas.

En la naturaleza, uno de los elastómeros más resistentes es el que las arañas emplean para tejer sus telas. Estas estructuras contienen moléculas con ocho enlaces de hidrógeno. Esto les confiere una resistencia superior, incluso más dura que el acero.

Los elastómeros

Las telarañas tienen un material flexible y a la vez increíblemente resistente: elastómeros.  El término elastómero se deriva de “elástico” y “polímero”; es decir que son polímeros elásticos. Estos materiales se caracterizan por su capacidad de estirarse y recuperar su forma original. Un ejemplo clásico es el caucho.

Sin embargo, los materiales naturales convencionales, como el caucho, tienden a fundirse con el calor y a volverse quebradizos con el frío. Para mejorar su eficacia, desde principios del siglo XX se desarrollaron los elastómeros sintéticos. Estos incluyen materiales como el látex, el poliuretano, la silicona y el neopreno.

Uno de los elastómeros más notables y resistentes en la naturaleza es la seda de las telarañas. Presentan una combinación de flexibilidad y resistencia muy notables y por eso han despertado gran interés en la ciencia y la ingeniería.

¿Qué tipos de material ultrarresistente existen?

A continuación, exploraremos los diferentes tipos de materiales ultrarresistentes que existen en la actualidad y sus aplicaciones más comunes.

Grafeno

El grafeno es un material compuesto por una sola capa de átomos de carbono dispuestos en una estructura hexagonal. Es considerado uno de los materiales más fuertes y ligeros que existen, con una resistencia 200 veces mayor que la del acero. Además, el grafeno es un excelente conductor del calor y la electricidad, lo que lo hace ideal para aplicaciones en la electrónica y la industria aeroespacial.

Nanotubos de carbono

Los nanotubos de carbono son estructuras cilíndricas formadas por átomos de carbono dispuestos de manera hexagonal. Son extremadamente resistentes, con una resistencia a la tracción más de 100 veces superior a la del acero. Los nanotubos de carbono se utilizan en la fabricación de materiales compuestos ultrarresistentes, como el tejido de nanotubos de carbono, que se utiliza en la construcción de aviones y cohetes.

Cerámica avanzada

La cerámica avanzada es un tipo de material compuesto por óxidos metálicos y cerámicos que ha sido diseñado para resistir altas temperaturas y presiones. Este tipo de cerámica se utiliza en aplicaciones como la fabricación de motores de aviones y turbinas de gas, donde se requiere una resistencia excepcional a condiciones extremas.

Polímeros de alta resistencia

Los polímeros de alta resistencia son materiales compuestos por largas cadenas de moléculas orgánicas que han sido diseñados para resistir fuerzas de tracción y compresión. Estos polímeros se utilizan en aplicaciones como la fabricación de chalecos antibalas y cascos de protección, donde se requiere una resistencia excepcional a impactos.

Un material ultrarresistente

Un grupo de investigadores de la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología (NTNU) desarrollaron un material ultrarresistente, basado en las telarañas. Las telarañas, especialmente por sus anillos concéntricos, combinan rigidez y dureza, dos características que normalmente no se encuentran juntas en los materiales comerciales.

Generalmente, los productos más rígidos tienden a ser menos duros porque no pueden disipar energía eficientemente. Es el caso del cristal, que es rígido pero frágil. Los investigadores noruegos lograron combinar estas cualidades al desarrollar un material con una parte dura y otra blanda.

La parte dura tiene enlaces de hidrógeno óptimos para disipar energía. Entre tanto, la parte blanda está hecha de un polímero de base de silicio conocido como PDMS. Este material no solo es ultrarresistente, sino también potencialmente autorreparable, lo que lo hace ideal para aplicaciones en prendas inteligentes debido a su capacidad para resistir la torsión.

Telarañas de grafeno

De otra parte, el grafeno, un material destacado en la investigación avanzada, se ha combinado con la flexibilidad del PDMS para crear una nueva tecnología. Según la publicación científica ACS Applied Materials & Interfaces, un equipo de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong desarrolló un sensor de alta flexibilidad y sensibilidad.

Está basado en una estructura E-GWF, que significa “tejido de grafeno relleno de elastómero”. Este innovador tejido está compuesto por hilos de PDMS recubiertos de grafeno. Es piezorresistente, o sea, sensible a las variaciones del campo eléctrico. Esta propiedad lo hace ideal para su uso en sensores epidérmicos y otros dispositivos en contacto con la piel humana.

Elastómeros de cristal líquido

Los elastómeros de cristal líquido, conocidos como LCE (Liquid Crystal Elastomers), han sido empleados por investigadores de la Universidad de California para lograr avances significativos.

Lograron fabricar fibras sintéticas que imitan el músculo humano utilizando un proceso de electrospinning o electrohilado. Este proceso aplica una descarga eléctrica al polímero, generando filamentos extremadamente finos con gran resistencia y alta capacidad de respuesta ante el calor o la luz infrarroja de espectro cercano.

Así mismo, hay otro tejido desarrollado por Caltech que también está basado en la estructura de las telarañas. Es una malla de polímeros en forma de octaedro, obtenida mediante impresión 3D. Esta estructura es similar a una cota de malla.

El tejido se vuelve rígido en presencia de calor gracias a una capa de elastómeros de cristal líquido (LCE). Al aplicar una corriente eléctrica, el calor generado contrae los elastómeros, haciendo que adopten una forma prefijada.

Este avance podría ser útil en la fabricación de exoesqueletos para aplicaciones biomédicas. También en la creación de refugios temporales en situaciones de desastre.

Lecturas recomendadas

El grafeno, posibilidades en la arquitectura

Resistencia de materiales